Генетика иммуноглобулинов

Гены иммуноглобулинов аутосомны, кодоминантны. Струк­турное разнообразие иммуноглобулинов определяется последова­тельностью аминокислот.

В биологии существовал принцип «один ген — одна полипептидная цепь», а также утверждалась неизменность генома в онтогенезе организма. Однако в случае Ig видно, что несколько генов кодируют одну полипептидную цепь.

Иммуноглобулины контролируются тремя семействами генов, расположенными в разных хромосомах. Одно семейство кодиру­ет синтез всех классов тяжелых цепей (Н), другое — синтез лег­ких к-цепей, третье — синтез легких Х-цепей.

У мыши вариабельная область легкой Х-цепи кодируется двумя V-генами, а константная область — четырьмя С-генами (рис. 50). V- и С-гены называются также V- и С-сегментами. Перед каждым С-геном находится короткий отрезок ДНК, кото­рый называется J-сегментом. Любой V-ген может соединиться с любой парой J-сегмент — С-ген. Следовательно, легкая Х.-цега> кодируется сегментами'V, J, С. В эмбриональном геноме эти

Рис. 50. Гены Ig мыши (1 — легкая А.-цепь; 2 — легкая к-цепь; 3 — тяжелая цепь; V—ген (сегмент); J—сегмент; D—сегмент; С—геп (сегмент)

сегменты удалены друг от друга, а в зрелых лимфоцитах в резуль­тате соматической рекомбинации они сближаются.

Для легкой к-цепи имеется несколько сот V-генов, четыре J-сегмента и один С-ген (см. рис. 50). В зрелом лимфоците Х.-цепь кодируется сегментами V, J и С (по одному из многих сегментов. V и J).

Для тяжелых цепей всех типов существует 100—500 V-генов, 20 D-сегментов, 4 J-сегмента и несколько тесно сцепленных С-генов. В плазматической клетке тяжелая цепь кодируется сег­ментами V, D, J, С (см. рис. 50).

Сбор генов Ig осуществляется в два этапа. В результате сома­тической рекомбинации соединяются V- и J-сегменты легкой цепи или V-, D- и J-сегменты тяжелой цепи. Часть V- и J-cer-ментов при этом выбрасывается. Затем происходит транскрип­ция, образуется пре-иРНК. При сплайсинге про-иРНК (удаляют­ся интроны и соединяются экзоны) вырезаются интроны и V-, J-, С-сегменты располагаются рядом. В цитоплазме происходит трансляция и образуется легкая к-цепь (рис. 51). Такой же про­цесс осуществляется и при образовании тяжелых цепей Ig. При иммунном ответе предшественники зрелых лимфоцитов сначала образуют филогенетически самый древний IgM, а потом в лим­фоцитах происходит переключение на синтез Ig других классов.

Аллотшгы иммуноглобулинов. Это генетически детерминиро­ванные варианты белков (в данном случае иммуноглобулинов), по которым особи внутри вида отличаются друг от друга. Алло-типы представляют отдельные варианты генов иммуноглобули­нов и обусловливают их генетический полиморфизм. Каждая молекула иммуноглобулина имеет не один, а несколько аллоти-пических детерминант (или аллотипинеских маркеров). Из сель-

Рис. 51. Сборка гена иммуноглобулина из отдельных фрагментов на примере легких к-цепей (но Тонегава, 1985)

скохоэяйственных животных наиболее изучены аллотипы кроли­ка (табл. 35).

35. Аллотипы иммуноглобулинов кролика (по Кульбергу, 1985)

Аллотипические детерминанты, указывающие аллотипичёскую группу (локус), обозначают буквой (a, b, e и т. д.), а аллели — цифрой (a¹, Ь*, е¹⁴ и т. д.)- При написании фенотипа аллотипы разных групп отделяют косой чертой, например а2аЗ/е14е15/Ь5, а генотип обозначают а^е^е¹⁵^⁵.

Имеется еще две группы антигенных детерминант иммуногло­булинов: изотипы и идиотипы.

Изотипы — это антигенная специфичность, общая для всех особей одного вида. Пять классов иммуноглобулинов (А, М, С, Е, D) являются изотипами.

Идиотипы — это антигенные различия между антителами, принадлежащими к одному классу, субклассу и аллотипу у от­дельных особей. Идиотипы одной особи определяются клонами клеток, синтезирующими антитела.

В зависимости от числа замен различают простые и сложные (комплексные) аллотипы. Простые аллотипы возникают при за­мене одной, двух аминокислот, сложные аллотипы — при замене многих аминокислот. Например, комплексные Ь4 и Ъ9 аллотипы константного района к-цепи различаются по 35 % аминокислот.

Гены каждого вида цепи тесно сцеплены, поэтому их аллель-ные варианты наследуются как единое целое, т. е. аллогруппами (гаплотипами, группами сцепления). Например, три группы аллоти-^гпов кролика (у, х, а) Ун-области и пять групп аллотипов (л, d, e, f, g) Сн-области наследуются аллогруппами. Ниже показаны алло-группы кролика, унаследованные потомками от отца и матери*.

Известно, что в молекуле иммуноглобулина или только к-цепь, или только Х,-цепь сочетается с любым типом тяжелых цепей. В одной плазматической клетке вырабатываются антитела одной 'Специфичности. В гетерозиготных плазматических клетках рабо­тает только один из двух аллельных генов Vh- и Сн-цепей и один •ген из двух легкой цепи — аллельное исключение (рис. 52). Поэтому фенотип клетки может не полностью соответствовать ее генотипу, несмотря на кодоминантное наследование. Однако в связи с на­личием большого числа плазматических клеток в организме встречаются все типы антител в соответствии с его генотипом и любые комбинации материнских и отцовских аллотипов.

Разнообразие антител. Одна из главных и интересных проблем иммунологии — это объяснение природы происхождения громад­ного разнообразия антител. Ведь организмы в течение жизни могут встречаться с десятками тысяч антигенов и должны отли­чать «чужеродные» агенты от «своих». Но существует ли тогда

Рис. 52. Схема синтеза плазматической клеткой тяжелых и легких целей иммуног­лобулина. Гепотип клетки — (tif/d^ud'²/b\b⁵, фешггип клетки — о⁷/?²/** — при­мер алделыюго исключения; д\ а\ d^l\ d^l\ *⁴, Ь^ь — аллотяпы иммуноглобулина кролика

огромное количество генов антител, передающихся из поколения в поколение?

Установлено, что разнообразие антител может быть обеспече­но следующими факторами:

1. наличием ограниченного числа гаметных генов;

2. сборкой и экспрессией генов в соматических клетках из ограниченного набора зародышевых сегментов;

3. неточностью аппарата сплайсинга РНК, когда соединяются сегменты V, D и J;

4. соматическими гипермутациями генов антител.

Вам уже известно (см. рис. 50), что набор зародышевых генов для к-, Х-цепей и тяжелой цепи не столь велик: от 2 до 300 V-сегментов, 4 J-сегмента, около 20 D-сегментов и 1—4 С-сег-мента.

Количество вариантов сборки гена иммуноглобулина, напри­мер, легкой к-цепи равно произведению чисел V- и J—сегментов. Соединение V-, D- и J-сегментов может произойти более 10 тыс. способами. Таким образом, число вариантов формирова­ния активного центра Ig (паратопа) участками легкой и тяжелой цепи превышает 10 млн.

Разнообразие антител может возникать вследствие нару­шения соединения V-, D- и J-сегментов, а также вклинивания лишних нуклеотидов уже не в ДНК, а при сплайсинге про-иРНК. В результате образуется несколько измененная иРНК и при трансляции изменяется последовательность ами­нокислот в иммуноглобулине.

Значительный источник разнообразия антител — это повышенная частота соматических мутаций в вариабельных доменах, особенно в гипервариабельных районах. Показано, что в V-райо-не Ig происходит три мутации на 30 делений В-лимфоцитов, т. е. на несколько порядков превышает обычную частоту мутаций. Предполагают наличие в В-клетках специальных ферментов, усиливающих темп мутирования.

Таким образом, при наличии различных вариантов сборки зародышевых генов, неточности соединения сегментов, вставок пар нуклеотидов и соматических мутаций может возникнуть более 1 млрд типов антител.